燕学博
单位：江苏交通节能减排工程技术研究中心
摘要：随着光伏电池技术以及电子技术的不断进步，太阳能汽车作为一种新能源汽车已经崭露头角。通过与传统燃油汽车对比，分析了太阳能汽车的优越性以及存在的不足。同时详细阐述了太阳能汽车目前发展状况，综合考虑限制太阳能发展的各项因素，并对太阳能汽车的发展前景进行了分析，为未来太阳能汽车的发展方向提供了一定的参考。
关键词：太阳能（Solar Energy)；汽车；节能环保；
一、太阳能汽车的工作原理
太阳能汽车，顾名思义就是靠太阳能驱动的汽车，这是与传统内燃机驱动汽车的最大不同点。从某种意义上讲, 太阳能汽车也是电动汽车，不同之处在于电动汽车的蓄电池是靠工业电网充电的，太阳能汽车用的则是太阳能电池，而太阳能电池的作用就是将太阳能转化为电能。
发电系统是太阳能汽车的动力源，包括太阳能电池板，太阳能控制器，蓄电池（组）以及直流电机。其中太阳能电池板属于光伏设备（主要部分是半导体材料），它是太阳能发电系统的核心部分，也是系统中造价最高的部分。它经过光线照射后发生光电效应，产生电流，经过太阳能控制器进行调节，得到安全、稳定的电流后再送到蓄电池中存储起来，或直接带动电机旋转，为汽车行驶提供动力。
图1 太阳能汽车工作原理
能量在太阳能汽车中的流动主要分三种情况：
1、太阳光直接驱动汽车。当阳光充足时，太阳辐射通过电池板发生光电效应，产生的电流
一部分直接由控制器输送到直流电机，驱动汽车前进。而剩余部分存储到蓄电池中，为蓄电池充电。
2、当阳光不足或太阳能汽车在起动、加速等需要较大功率时，太阳能电池板转化的能量不能满足驱动汽车条件，此时蓄电池中之前存储的电能同时向电机供电，共同驱动汽车前进。
3、当汽车在减速或制动时，汽车本身具有的动能将由电机反向传递给蓄电池，为其充电，从而实现制动能量的回收。此时太阳能电池板吸收的电能也同时为蓄电池充电，为再次起动做好准备。
二、太阳能汽车的特点
2.1 太阳能汽车的优点
与普通燃油汽车相比，太阳能汽车拥有很多独特的优势。
1、能源丰富，取之不尽，用之不竭
太阳能无处不在，获取方便，作为交通工具的汽车，遍布世界各个地方，但是太阳能也如影
随之，只要有阳光的地方，就随时随地可以给汽车供给能量，太阳能是可再生生源，相对人类历史而言，基本不存在枯竭，人类可以极尽所能的去开发利用。
2、能源使用方便，无需运输
太阳能资源可免费使用，无需艰苦的开采和长途的运输过程，只需通过汽车上的接收和转换设备就能直接利用。随时随地，只要有太阳照射的地方就可以获取并为电动汽车提供能量，与电动汽车相比，更方便，更节能，减少了对电网电能的依赖与消耗，也减少了对固定充电桩的依赖。
3、太阳能汽车清洁无污染，噪音低
太阳能是最清洁的能源之一，能象风能、潮汐能等清洁能源一样，其开发和利用时几乎没有任何污染。太阳能电动车消耗电能，不排放一氧化碳、NOX、二氧化硫等有害物质，并且行进时无发动机噪声、机械系统噪声也很小。可以说，太阳能的利用为人类创造了一种新的生活形态，将社会及人类推进一个能源节约、污染减少的新时代。
4、降低对电池的依赖，为车辆本身轻量化发展提供空间
由于太阳能汽车以无处不在的太阳能为主要能源，白天有光照的情况下随时随地可以给车辆提供动力能源及蓄电池充电，减少了对蓄电池了依赖，由于当前蓄电池能量密度的限制，传统的电动汽车为了提高续航能力，不得不通过在车体增加电池量来实现，这增加车身的重量，给电动汽车轻量化发展增加了困难，也不利于车辆能耗的有效使用。
5、为人类开发利用太阳能提供了广阔的空间
为了减少人类对生存环境影响和能源危机问题，世界各地都十分重视太阳能光伏产业的发展，发展光伏产业，需要大量空旷的地面，为了给光伏发电拓展空间，人类在在各类建筑屋顶进行太阳能开发利用，实际上，大量的路面以及停车场也是很好的光伏发电场所，但是在路面实施光伏发电成本太高，车顶利用其实是对路面以及停车场开展光伏发电的良好方式，城市道路上行驶的汽车将构成一个庞大的流动的分布式光伏发电系统，为太阳能开发开拓了一个广阔的空间。
2.2 太阳能汽车存在的不足
1、太阳能采集比较困难
太阳能虽然资源丰富，但是比较分散，不容易采集。太阳能电池板导致车身过大转动不够灵活，内部空间过于狭小。尽管太阳的能量始终不断地供应给地球，但是由于地球公转、自转、季节、气候等因素影响，使各地太阳能分布不均匀，强度受时间，地域以及地理条件的影响不能维持常量，辐射到地面的阳光功率不稳定。
太阳能是一种低密度、间歇性的能源，随着时间和地理位置的不同而变化，比如某地区在明亮晴朗的白天，太阳能最大密度大约在1000W/m2左右，但是在早上和晚上或者在天空阴暗的时候，太阳能密度将降至0W/m2，这为太阳能的收集和应用提出了更高的要求，如图3所示。
图2 某地区接收太阳能辐射能量图
2、太阳能能量转化效率比较低
根据一般的材料应用与技术能力，当前太阳能转换率最多只能达到20％左右，难以满足汽车高速行驶所需要的足够动力，这主要是因为单晶硅电池表面栅线遮光对转化效率有一定影响。同时照射到电池表面的损失也非常大，包括表面光反射损失，光传导损失，内部复合缺失，表面复合损失等。因此这对本身每平方米光照能量密度都不够大的太阳能利用是一个挑战。
3、汽车制造商对太阳能汽车的研发力度不够
由于普通燃油汽车的利润高，而且技术比较成熟，再加上太阳能汽车制造成本较高，技术不完善等原因，汽车制造商不愿意投资开发太阳能汽车。某些公司研发太阳能汽车也多是出于宣传导向和企业形象的考虑，而没有大力发展，投入市场的决心。从人类的代步工具角度，对汽车安全性和舒适性要求很高。当前设计的太阳能汽车多为概念车，强调太阳能对车的驱动力上，在安全性、舒适性几乎没有考虑，因此也难以达到推广应用的层面。
三、太阳能汽车发展状况
目前，太阳能汽车一般分比赛用太阳能车和实用型太阳能汽车，而占设计研发绝大比例的是比赛用太阳能车。由于经济和技术的限制，单纯采用太阳能电池的实用型太阳能车还很少见，距离完全代替现有汽车还需要很少的路要走。
3.1国外发展状况
1、1978年，世界上第一辆太阳能汽车在英国研制成功，开创了太阳能在汽车上的应用先河，从此，世界各国都纷纷开始对太阳能汽车进行研发，但是由于技术原因，目前太阳能汽车也只限于各种比赛和交流。
2、在90年代初期，诸如“太阳能旅行”等赛事也逐步在美国蓬勃发展。日本的太阳能车赛事起步较晚，但后来居上，如:1989年的“朝日太阳能车拉力赛”, 1991年的“北海道太阳能车赛”，1992年的“铃鹿太阳能车赛”和“能登太阳能车拉力赛”等，都在世界范围内产生了一定的影响。
3、在澳大利亚2003太阳能汽车比赛上，由荷兰选手制造的“NunaⅡ”太阳能汽车取得了冠军，
该汽车安装了欧洲太空局发明的太阳能细胞，并以30小时54分钟跑完了3010公里的路程，创造了太阳能汽车最高时速170公里的新世界记录，标志着人们把太阳能应用于汽车的道路上又迈出了坚实的一步。
目前在发达国家，对太阳能汽车的研究正如火如荼，尤其是哥本哈根会议以后，各大汽车制造巨头纷纷投巨资开发速度更快、行驶里程更长、售价更低的太阳能汽车，以形成技术垄断，尽早占领太阳能汽车市场。
3.2国内发展状况
我国太阳能汽车事业起步较晚，多数太阳能汽车的研制工作由各院校和科研所进行。国内大多数汽车生产企业对太阳能汽车的研发投入不足，与发达国家相比，还存在着很大差距。
1、我国从上世纪80年代开始对太阳能汽车进行研发，1984年9月，我国首次研制的“太阳号”太阳能汽车试验成功，这辆汽车的时速仅为2公里，可连续行驶超过100公里。
2、1996年，清华大学参照日本能登竞赛规范，研制了“追日”号太阳能汽车。该车使用转换效率为14%的矩形单晶硅电池阵列，在光照条件良好的条件下，可向直流电机提供800W的
动力，最高时速可达80公里。“追日”号是我国第一代参加国际大赛的太阳能汽车。
3、2001年，上海交通大学设计了“思源号”太阳能电动汽车，它的满载质量可达400kg，无需任何助动燃料，只要在阳光下晒3-4小时，便能轻松行驶十多公里。“思源号”是我国首辆可载人的太阳能电动车，如图4所示。
图3 “思源号”太阳能电动车
虽然目前对太阳能汽车的研究方兴未艾，并且离实际应用还存在一定距离，但太阳能汽车无
可比拟的优越性仍然是以后汽车发展的一个重要趋势。现在，在一些高尔夫球场，大型观光公园等公众场所，太阳能汽车已经开始逐渐出现在人们的视野。
四、太阳能汽车的发展前景分析
1、太阳能汽车是控制城市及全球大气污染最有效的技术选择，汽车的出现，给人们的生产和生活带来了翻天覆地的变化，但汽车工业发展的最大挑战就是能源的消耗和汽车尾气对环境的污染，传统燃油汽车排放物所造成的空气污染占整个城市空气污染的50%以上，对环境起了很大的破坏作用，为了解这个问题，各国都在致力于改变现状，要求在汽车设计时进行技术创新，提高汽车燃油利用效率和提高汽车排放标准，很大程度上缓解了目前环境污染和能源紧缺的状况。同时，各国正着眼于对太阳能汽车的开发设计，它将彻底改变汽车对石油的依赖以及对环境的污染，通常被人们称为“未来汽车”。太阳能汽车的发展将是汽车未来发展的一个重要方向，也是当前各国研究的一个热点问题。
2、太阳能将成为未来汽车的主要驱动能源，随着太阳能电池的光电转换效率提高，电动汽车轻量化的发展，以及车载可折叠充电装置的技术改进，太阳能将实现汽车每日50公里以上的驱动里程，这将满足日常80%人们开车能量需求，而无法满足的能量供给可以由充电来满
足，以弥补太阳能续航里程短的问题。太阳能电动车是最清洁，最有发展前景的绿环保汽车，其推广和应用是非常有前景的。
3、太阳能汽车其本身是电动汽车的一种形式，只是它的主要能量来源来自太阳能，太阳能汽车与电动汽车的发展并行不悖，发展太阳能汽车产业电动汽车产业及光伏产业的共同促进，当前电动汽车的快速发展为太阳能技术在汽车上的应用提供了发展空间及技术支持，太阳能汽车是电动汽车技术与光伏发电技术结合产物，两个不同领域里任何一方技术的进步都会促进对另一领域发展和利用。折叠电动汽车科学家不断致力于光电技术的研究，努力提高转换效率、降低成本。目前，转换效率还是束缚太阳能汽车发展的关键问题，专家称，如果能突破科技瓶颈，研制成功转换率更高的太阳能电池，太阳能汽车的前景将不可限量。近年来，美国已研制成功光电转换率达35%的高性能太阳能电池，这是目前国际上光电能转换率的最高水平，为太阳能汽车的发展开辟了广阔的前景。
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